節律照明及其控制策略的研究綜述

戎升亮,Allen Samantha,趙 杰,2,3,呂晨陽,張榮鵬,2,3

(1.Delos實驗室，美國紐約州紐約市 10014；2.Well人居實驗室，美國明尼蘇達州羅切斯特市 55905；3.梅奧醫學中心普通內科部，美國明尼蘇達州羅切斯特市 55905)

節律照明及其控制策略的研究綜述

戎升亮1,Allen Samantha1,趙 杰1,2,3,呂晨陽1,張榮鵬1,2,3

(1.Delos實驗室，美國紐約州紐約市 10014；2.Well人居實驗室，美國明尼蘇達州羅切斯特市 55905；3.梅奧醫學中心普通內科部，美國明尼蘇達州羅切斯特市 55905)

光對人體的非視覺成像功能有著廣泛而深刻的影響。研究表明，人的警覺性、情緒、內分泌功能以及晝夜節律都會受到若干光環境因素的影響，包括光照強度、光峰值波長、人曝露在光環境中的時間點以及時間長度。不適的光環境可以擾亂人體的褪黑素分泌以及身體內在晝夜節律，進而對人體健康產生若干負面影響，誘發諸如肥胖、糖尿病、失落、情緒失調、生殖系統疾病等慢性疾病。在過去的幾年中，如何量化光對人體生理節律的影響的課題吸引了廣泛的研究關注。本文系統介紹了節律照明領域兩種領先的量化指標及度量方法，包括視黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux: EML)以及晝夜節律刺激值法(Circadian Stimulus: CS)，并對兩種方法的生物學基礎進行了深入探討。在此基礎上，本文對當前若干主流節律照明產品的光譜功率分布及其控制策略進行了比較和分析。結果表明，當前節律照明的研究成果就減弱光源對人體晝夜節律的擾亂方面提供了關鍵的理論基礎和通用的實踐性建議，但對其有效影響的尺度和范圍仍有待進一步的量化研究。

節律照明；視黑素等效勒克斯；晝夜節律刺激值；光譜功率分布；峰值波長；照明控制

引言

室內光環境對人體健康有著巨大的潛在影響。室內光環境設計不僅僅影響著室內人員執行視覺任務的能力，也影響著人員的舒適度、情緒和其它生理機能。人體曝露在光環境中的時間分布也會影響到包括新陳代謝和睡眠質量在內的其它一系列重要生理機能[1]。因此，準確和全面地量化室內光環境，包括天然采光和人工照明，就具有十分重要的意義。目前，照明領域已經發展出多種室內光環境的量化方法，這些方法在計算時考慮的變量各自有所不同。本文將會對這些方法所考慮的計算變量、各自的優勢和存在的問題進行介紹和討論，并針對其控制策略進行綜述。

近半個世紀以來的實證研究表明，除視覺影響外，光照會對人腦產生非視覺方面的影響，同時也會影響著人的部分行為和生理機能[2]。經研究確認，這種影響機制與一種叫作光敏視網膜神經節細胞(ipRGCs)的感光細胞緊密相關。這種細胞與參與成像的視覺細胞不同，被稱為非視覺或非成像細胞。當光線射入視網膜時，ipRGCs感光細胞被其內的光敏蛋白——視黑素所激活[3]。被激活的ipRGCs感光細胞會向大腦中的視交叉上核(SCN)發送神經信號，而視交叉上核會依據接收到的信號來調節褪黑素這種管理睡眠的激素的分泌。因此，視交叉上核也被稱為大腦的晝夜節律時鐘[4]。人體自然的晝夜節律并不是完全與一天24小時同步，因此人體會依賴對光線(傳統方式是通過日光)的感知來調整自身和通常意義上的一天相協調，這一過程被稱為晝夜節律的光同步(circadian photoentrainment)[4-6]。晝夜節律的光同步主要通過ipRGCs感光細胞實現，然而視桿細胞與視錐細胞也會在一定程度上參與這一過程[7-8]。

光照和人體褪黑素的分泌抑制有著直接的聯系，光照對褪黑素分泌的影響很大程度上取決于接收到的光線總量(光照強度)和品質(光譜輸出分布)[9]。因此，在不恰當的時間進行光照中會對身體產生諸多不良的影響，包括睡眠失調、情緒失調和節律控制基因的突變[10]。幸運的是，人工照明可以在此方面產生很多積極的應用。例如，光照療法對改善(短期)情緒紊亂、提高年輕人和老人的睡眠質量和晝夜節律的再校正具有顯著的效果[11]。本文所討論的節律照明(circadian lighting)代表了通過控制天然采光和人工照明在建筑中為人員提供對其晝夜節律有積極作用的照明及其控制策略。

1 節律照明的度量方法

目前，很多研究團隊都嘗試過建立符合人體非成像響應規律的光度量方法[2-6]。以下將系統介紹節律照明領域兩種領先的量化指標及度量方法，包括視黑素等效勒克斯法(Equivalent Melanopic Lux: EML)以及晝夜節律刺激值法(Circadian Stimulus: CS)，并對兩種方法的生物學基礎進行探討。

1.1視黑素等效勒克斯法

Enezi團隊首次提出了基于視黑素光譜光視效能函數來計算“視黑素照度(m-lux)”的節律照明度量方法[7]；之后Lucas團隊的研究[2]將其改進為視黑素等效照度，又稱視黑素等效勒克斯。該節律照明度量方法的詳細介紹以及計算公式可以參見文獻[8]。視黑素光譜光視效能函數是基于已知的哺乳動物視黑素對不同波長光譜的敏感度來確定的。在Enezi團隊的研究中，通過基因修改的方式剔除了實驗對象小鼠的視桿細胞以及視錐細胞，針對這些小鼠的實驗證明了視黑素光譜光視效能函數(峰值波長為480 nm)預測出小鼠瞳孔對光照的響應程度以及由光脈沖導致的晝夜節律相位偏離(circadian phase shifting)。該研究團隊進一步推測，基于人眼晶狀體光譜吸收特征校正過后的視黑素光譜光視效能函數也可被用來預測人體節律系統中視黑素被光線激活的程度[7]。

視黑素等效勒克斯(EML)的計算公式如下[8]：

式中,λ代表光譜的波長(380～780 nm)；Km= 683.002 lm/W, 該常數代表明視覺最大光譜光視效能；V(λ)代表明視覺的光譜光視效能函數；P(λ)代表實際測量得到的光譜功率分布值(W/m2);Nm(λ) 代表被標準化(normalization)后的視黑素光譜光視效能函數。

(2)

值得注意的是，由于視桿細胞以及視錐細胞在不同的光環境下的非成像光響應會有所不同，基于視黑素光譜光效函數的度量方法并不能準確預測由ipRGCs感光細胞所主導的所有非成像光響應的具體程度[7]。比如，當眼睛接受到的照度小于18 m-lux (或者3.3 EML)時，非成像光響應由視桿細胞主導，暗視覺(scotopic or mesopic)的光譜光視效能函數反而比視黑素的光譜光視效能函數更適合來預測這類昏暗情況下的非成像光響應程度[3,9,10]。此外，來自Revell團隊的研究[11]表明，視黑素光譜光視效能函數(峰值波長為480 nm)并不能有效預測擁有正常視覺的人在多色混合光源(polychromatic light)的照射下的夜間激素分泌(nocturnal neuroendocrine)以及神經行為學響應程度(neurobehavioral responses)。

1.2晝夜節律刺激值法

來自Rea團隊的研究[12]認為，Brainard 團隊和Thapan 團隊兩項實證研究中所得到的光譜峰值敏感波長(460 nm)之所以與視黑素的峰值敏感波長(480 nm)不吻合，是由于S型視錐細胞(S-cone)的影響導致的。該細胞的光譜峰值敏感波長為420 nm，經過人眼晶狀體光譜吸收特征校正過后為440 nm。而存在于S型視錐細胞光傳導通路中的藍黃光譜色頡頏機制(spectral opponent blue versus yellow (b-y) colour mechanism)*Dacey和Packer的團隊 [12] 闡明了藍黃光譜色頡頏機制(藍-黃)的原因是S型視錐細胞會向ipRGCs感光細胞傳遞去極化(depolarizing)的ON神經信號而M型與L型視錐細胞會向ipRGCs細胞傳遞過級化(hyperpolarizing)OFF神經信號。而ipRGCs感光細胞只會對去極化ON神經信號作出反應。則是導致兩組實證數據在500 nm附近出現分歧的主要原因，這一波長點被稱作光譜頡頏交叉點(spectral opponent cross-point)[12]。Rea團隊在該項研究中提出了一種節律照明度量方法，即利用非線性的函數曲線對以上兩組實證研究得到的數據進行更為準確的模擬，并在函數變量中同時考慮所有感光細胞的光譜光視效能的影響。

Rea 團隊在其研究中首次將該度量方法命名為晝夜節律刺激值法(Circadian Stimulus，CS)[12]。在該團隊隨后的研究中[6,13,14]，該度量方法又深化發展為兩個相關的指標，即晝夜節律刺激值(Circadian Stimulus，CS)與晝夜節律照度(Circadian Light，CLA)。晝夜節律刺激值直接代表了夜間褪黑素分泌的受抑制程度，而晝夜節律照度則是一個基于CIE標準光源A(CIE standard illuminant A)(色溫為2 856 K的黑體輻射體)標準化之后的輻射照度值以便于與一般明視覺照度(勒克斯)進行比較。以下為計算CS和CLA這兩個度量的公式，相關計算工具可查閱網站http://www.lrc.rpi.edu/programs/lightHealth/index.asp。

式中，CLA代表晝夜節律照度值。常數1 548是為了將CLA正規化，使得當2 856 K的黑體輻射體(black body radiator)在1 000 lx(明視覺勒克斯)時CLA的數值為1 000；E(λ)代表實際測量得到的光譜功率分布值；Mc(λ)代表經過人眼晶狀體光譜吸收特征校正過的視黑素光譜光視效能函數；S(λ)為S型視錐細胞的光譜光視效能函數；mpλ為黃斑色素透光率(macular pigment transmittance)；V(λ)為明視覺光譜光視效能函數；V′(λ)暗視覺光譜光視效能函數；RodSat = 6.5 W/m2，視桿細胞半飽和常數(half-saturation constant for bleaching rods)；k=0.261 6，常數；a藍-黃=0.700 0，常數；a視桿細胞=3.300 0，常數。

CS和CLA作為光環境影響的量化指標已經被用于若干類型的實驗室研究與實地研究中，研究對象包括自發光顯示器(self-luminous display)[15-17]、阿爾茨海默病患者的醫療環境[18,19]和普通辦公環境[20,21]等。結果表明，CS指標可以有效預測短期內褪黑素分泌的受抑制程度以及相關的臨床和睡眠表現。

每個數據點對應不同光源類型與相關色溫。D55、D65、D75均為CIE標準光源并各自代表5 500 K、6 500 K以及7 500 K的自然光。該研究中所選取光源的光譜功率分布數據均來自網站http://research.ng-london.org.uk/scientific/spd/?page=info圖1 在限定不同光源的明視覺照度均為300 lx的情況下，對17種典型光源分別按照CS法和EML法進行的計算和比較Fig.1 Comparison of EML and CS metrics with different light sources at the same photopic illuminance of 300 lx

但需注意的是，該度量方法也存在一定的局限性。首先，該方法沒有涵蓋所有會對晝夜節律系統產生影響的因素，比如光照發生時間、持續時間以及過往的受光經歷(photic history)都沒有在該方法中有所反映。其次，該方法沒有考慮到非視覺警覺效應的光譜和絕對靈敏度。比如，研究發現640 nm的光線以40～200 lx的照度對眼部的照射可以在白天和晚上增強大腦活動而不影響褪黑素濃度[14,22,23]。此外，基于兩組實證數據來模擬S型視錐細胞對晝夜光傳導的影響可能導致該方法的另一個局限，因為晝夜節律系統的光譜敏感度會在夜間不同時段發生變化[24]。再者，CS模型是基于夜間褪黑素分泌的抑制建立的，但是其它非成像光響應，諸如晝夜節律相位偏離，警覺和體溫等，都沒被考慮在內[6,12]。最后，若干研究結果表明，非成像光響應對視錐細胞、視桿細胞或者ipRGCs的依賴時間和依賴程度并非絕對恒定。例如，即使在基本相同的實驗條件下，也可以觀察到接受ipRGC輸入的腦區域的不同的視錐細胞參與度[25,26]。

1.3兩種度量方法的比較

2 節律照明的控制方法研究

近年來，電氣工程和軟件工程領域和物聯網(IoT)領域都迅速發展使得智慧照明更為廣泛地融入了人們的日常生活。照明的智能控制技術涵蓋了諸多照明技術，例如電動遮陽和可兼容預設程序控制或傳感器控制的全光譜可調照明。以下將介紹三種與節律照明相關的智慧照明控制技術，包括動態白光控制、動態全光譜控制(Dynamic SPD tuning)和特定光譜控制(Special SPD tuning)。

1)動態白光控制。可調白光LED燈具大多包含多個可控的LED。這些LED燈具可以通過不同LED的亮度比例來產生與黑體曲線相吻合的從暖色白光(約2 800 K)到冷色白光(約6 500 K)的光。這類燈具適用于多種環境，也大多可以產生18 lx以上的照度，因而可以通過ipRGCs感光細胞感光的途徑來用于晝夜節律照明。然而正如上文指出的，利用現有的度量方法，一定的相關色溫并不能達到確定的對人的節律影響。也就是說，同一個相關色溫可能對應多種完全不同的光譜分布，因而產生不同的節律影響。對于控制系統來說，一些常見的控制協議包括多通道0～10 V、DMX和針對有線控制的DALI都可以實現動態白光控制，其商用產品相對成熟。

2)動態全光譜控制。全光譜可調LED燈具依然使用多個LED，但其與白光可調LED燈具相比，可以提供更多的光色與相關色溫(CCT)選擇，更重要的是，它可以根據節律照明的需要，通過更多的色彩通道和專門的控制優化算法，專門增加或減小某個區域的光譜能量。然而，不同于動態白光控制，它們的高精度光譜功率分布也決定了其價格遠高于普通照明燈具。另外，多通道的特性也需要更加復雜的用戶界面，并不十分適合普通使用者操作。全光譜可調燈具目前主要應用于科研項目和一些示范項目中。

3)特定光譜控制。由于動態全光譜控制的復雜性和高成本，目前還有一類通過特定光譜控制實現的LED燈具。這類控制方法根據特定的應用場合(例如夜間臥室照明、白天辦公照明等)，來定制幾種靜態光譜分布場景，然后通過場景和天文時間控制來實現不同光譜分布場景的轉換。這類控制方法與動態光譜控制相比相對簡單，目前已有多種商用產品。

3 結束語

室內光環境不僅影響室內人員執行視覺任務的能力，而且會通過光敏視網膜神經節細胞ipRGCs影響人員的舒適度、情緒等非視覺成像功能。為了能有效指導照明設計和照明控制以優化其對非視覺成像功能的影響，建立符合人體非成像響應規律的光度量方法以準確、全面地量化室內光環境就顯得具有十分重要的意義。本文系統介紹了節律照明領域兩種領先的量化指標及度量方法，包括視黑素等效勒克斯法以及晝夜節律刺激值法，并對兩種方法的生物學基礎進行了探討。為了進一步比較兩種方法，本文對17種典型燈具進行了比較分析。結果表明，兩種方法在較低相關色溫區段的評價結果比較一致，但由于兩種模型對整體的光譜敏感性的不同處理方式導致其在大于4 000 K的較高相關色溫區段的結果存在較大差異。最后，本文介紹了三種LED節律照明的控制技術，包括動態白光控制、動態全光譜控制和特定光譜控制。盡管LED控制技術日漸成熟，但如何將他們更加合理的運用，特別是在如何與智慧控制系統相結合等方面，還需要更多的科學和工程驗證。雖然呈現更加全面的非成像反應過程和建立更加統一的量化指標及度量方法依然需要進一步的研究和證明，但總體來說LED控制技術在節律照明等領域擁有廣泛的發展和應用前景。

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CircadianLightingandItsSmartControlStrategy:AReview

RONG Shengliang1, Allen Samantha1, ZHAO Jie1,2,3, LYU Chenyang1, ZHANG Rongpeng1,2,3
(1.DelosLabs,Delos,NewYork,NY,USA10014；2.WellLivingLab,Rochester,MN,USA55905；3.GeneralInternalMedicineDepartment,MayoClinic,Rochester,MN,USA55905)

Light has significant non-visual impacts on humans. It has been found that the intensity, wavelength, duration and timing of light can affect human alertness, mood, endocrine function, and circadian rhythms. Light exposure through melatonin generation and circadian disruption links to obesity, diabetes, depression, mood disorders, reproductive, and other chronic diseases. In the past few years, many studies have been conducted to quantify the impact of light on human circadian rhythm. This paper reviews the state-of-the-art approaches to quantify circadian lighting and its biological basis, including the Equivalent Melanopic Lux (EML) based and Circadian Stimulus (CS) based methods. Then a comprehensive review and comparison is conducted on the spectrum and control strategies for the dominant circadian lighting products. The paper concludes that the current circadian lighting research provides crucial fundamental information and generalized practical recommendations for mitigating human circadian disruptions, but the size and prevalence of its actual effects will need further quantified study.

circadian lighting; Equivalent Melanopic Lux (EML); Circadian Stimulus (CS);Spectral Power Distribution (SPD); peak spectral wavelength; lighting control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.003